TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

Transcript

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Bài giảng: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP (Tài liệu lưu hành nội bộ) Thái Nguyên, năm 212

2 Chương 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN I.1 THYRISTOR Thyrisor là phần ử bán dẫn cấu ạo ừ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, ạo ra ba iếp giáp p-n: J 1, J 2, J 3. Thyrisor có ba cực Anode (A), Cahode (K), cực điều khiển (G Gae) như được biểu diễn rên hình 1.1. n K p n - p G K n J 3 J 2 J 1 G V A K U ng, max Dòng dò i I v I d A I G3 I G2 I G1 U hmax a) A b) Hình 1.7. Thyrisor Cấu rúc bán dẫn; Ký hiệu; Hình ảnh hực ế Hình 1.8. Đặc ính Vôn-Ampe của Thyrisor I.1.1 Đặc ính Vôn-Ampe của Thyrisor Đặc ính Vôn-Ampe của mộ Thyrisor gồm hai phần (hình 1.2). Phần hứ nhấ nằm rong góc phần ư hứ I là đặc ính huận ương ứng với rường hợp điện áp U AK > ; phần hứ hai nằm rong góc phần ư hứ III, gọi là đặc ính ngược, ương ứng với rường hợp: U AK <. a) Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (I G = ) Khi dòng vào cực điều khiển của Thyrisor bằng hay khi hở mạch cực điều khiển Thyrisor sẽ cản rở dòng điện ứng với cả hai rường hợp phân cực điện áp giữa Anode-Cahode. Khi điện áp U AK <, heo cấu ạo bán dẫn của Thyrisor, hai iếp giáp J 1, J 3 đều phân cực ngược, lớp J 2 phân cực huận, như vậy Thyrisor sẽ giống như hai diode mắc nối iếp bị phân cực ngược. Qua Thyrisor sẽ chỉ có mộ dòng điện rấ nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi U AK ăng đạ đến mộ giá rị điện áp lớn nhấ U ng.max sẽ xảy ra hiện ượng Thyrisor bị đánh hủng, dòng điện có hể ăng lên rấ lớn. Giống như ở đoạn đặc ính ngược của diode, lúc này nếu có giảm điện áp U AK xuống dưới mức U ng.max hì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyrisor đã bị hỏng. Khi ăng điện áp Anode-Cahode heo chiều huận, U AK >, lúc đầu cũng chỉ có mộ dòng điện rấ nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện rở ương đương mạch Anode- Cahode vẫn có giá rị rấ lớn. Khi đó iếp giáp J 1, J 3 phân cực huận, J 2 phân cực

3 ngược. Cho đến khi U AK ăng đạ đến giá rị điện áp huận lớn nhấ, U h.max, sẽ xảy ra hiện ượng điện rở ương đương mạch Anode-Cahode độ ngộ giảm, dòng điện chạy qua Thyrisor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện rở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua Thyrisor lớn hơn mộ mức dòng ối hiểu, gọi là dòng duy rì I d, hì khi đó Thyrisor sẽ dẫn dòng rên đường đặc ính huận. Đoạn đặc ính huận được đặc rưng bởi ính chấ dẫn dòng và phụ huộc vào giá rị của phụ ải nhưng điện áp rơi rên Anode- Cahode nhỏ và hầu như không phụ huộc vào giá rị của dòng điện. b) Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (I G > ) Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển (G) và Cahode, quá rình chuyển điểm làm việc rên đường đặc ính huận sẽ xảy ra sớm hơn, có U h < U h.max. Điều này được mô ả rên hình 1.2 bằng những đường né đứ, ứng với giá rị dòng điều khiển khác nhau I G1, I G2, I G3,... Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn hì điểm chuyển đặc ính làm việc sẽ xảy ra với U AK nhỏ hơn. Trong hực ế đối với mỗi loại Thyrisor sẽ được chế ạo bởi mộ dòng điều khiển định mức I đk đm. I.1.2 Mở - khoá Thyrisor Thyrisor chỉ cho phép dòng chạy qua heo mộ chiều, ừ Anode đến Cahode, và không được chạy heo chiều ngược lại. Điều kiện để Thyrisor có hể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp U AK > còn phải hỏa mãn điều kiện là điện áp điều khiển dương. Do đó Thyrisor được coi là phần ử bán dẫn có điều khiển. a) Mở Thyrisor Khi được phân cực huận, U AK >, Thyrisor có hể mở bằng hai cách. Thứ nhấ, có hể ăng điện áp Anode-Cahode cho đến khi đạ đến giá rị điện áp huận lớn nhấ, U h.max, điện rở ương đương rong mạch Anode-Cahode sẽ giảm độ ngộ và dòng qua Thyrisor sẽ hoàn oàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này rên hực ế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn. Phương pháp hứ hai, phương pháp được áp dụng hực ế, là đưa mộ xung dòng điện có giá rị nhấ định vào giữa cực điều khiển và Cahode. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển rạng hái của Thyrisor ừ rở kháng cao sang rở kháng hấp ở mức điện áp Anode-Cahode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua Anode-Cahode lớn hơn mộ giá rị nhấ định, gọi là dòng duy rì (I d ) hì Thyrisor sẽ iếp ục ở rong rạng hái mở dẫn dòng mà không cần đến sự ồn ại của xung dòng điểu khiển. Điều này nghĩa là có hể điều khiển mở các Thyrisor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhấ định, do đó công suấ của mạch điều khiển có hể là rấ nhỏ, so với công suấ của mạch lực mà Thyrisor là mộ phần ử đóng cắ, khống chế dòng điện. b) Khoá Thyrisor Mộ Thyrisor đang dẫn dòng sẽ rở về rạng hái khóa (điện rở ương đương mạch Anode-Cahode ăng cao) nếu dòng điện giảm về không. Tuy nhiên để Thyrisor vẫn ở rạng hái khóa, với rở kháng cao, khi điện áp Anode-Cahode lại dương ( U AK ),

4 cần phải có mộ hời gian nhấ định để các lớp iếp giáp phục hồi hoàn oàn ính chấ cản rở dòng điện của Thyrisor. Khi Thyrisor dẫn dòng heo chiều huận, hai lớp iếp giáp J 1, J 3 phân cực huận, các điện ích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy iếp giáp J 2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có hể chảy qua ba lớp iếp giáp J 1, J 2, J 3. Để khóa Thyrisor lại cần giảm dòng Anode-Cahode về không bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp mộ điện áp ngược lên giữa Anode và Cahode của Thyrisor. Sau khi dòng về bằng không phải đặ mộ điện áp ngược lên Anode-Cahode ( U AK ) rong mộ khoảng hời gian ối hiểu, gọi là hời gian khóa (ký hiệu là: r ), lúc này Thyrisor sẽ khóa. Trong hời gian phục hồi có mộ dòng điện ngược chạy giữa Cahode và Anode. Thời gian phục hồi là mộ rong những hông số quan rọng của Thyrisor. Thời gian phục hồi xác định dải ần số làm việc của Thyrisor. Thời gian phục hồi r có giá rị cỡ 5 1s đối với các Thyrisor ần số cao và cỡ 5 2s đối với các Thyrisor ần số hấp. I.1.3 Các yêu cầu đối với ín hiệu điều khiển Thyrisor Quan hệ giữa điện áp rên cực điều khiển và Cahode với dòng đi vào cực điều khiển xác định các yêu cầu đối với ín hiệu điều khiển Thyrisor. Với cùng mộ loại Thyrisor nhà sản xuấ sẽ cung cấp mộ họ đặc ính điều khiển (ví dụ như hình 1.3) rên đó có hể hấy được các đặc ính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhấ ứng với mộ nhiệ độ môi rường nhấ định mà ín hiệu điều khiển phải đảm bảo để chắc chắn mở được mộ Thyrisor. Dòng điều khiển đi qua iếp giáp p-n giữa cực điều khiển và Cahode cũng làm phá nóng iếp giáp này. Vì vậy ín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suấ. Công suấ giới hạn của ín hiệu điều khiển phụ huộc vào độ rộng của xung điều khiển. Tín hiệu điều khiển là mộ U GK Giới hạn dòng nhỏ nhấ xung có độ rộng càng ngắn hì công suấ cho phép có hể càng lớn. Sơ đồ iêu biểu của mộ mạch khuếch đại xung điều khiển Thyrisor được cho rên hình 1.4. Khóa Transisor T được điều khiển bởi mộ xung có độ rộng nhấ định, đóng cắ điện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của Thyrisor ở phía bên cuộn hứ cấp. Như vậy mạch lực được cách ly hoàn oàn với mạch điều khiển Vùng mở chắc chắn Giới hạn công suấ xung,1ms Hình 1.3. Yêu cầu đối với xung điểu khiển của Thyrisor bởi biến áp xung. Điện rở R hạn chế dòng qua Transisor và xác định nội rở của nguồn ín hiệu điều khiển. Diode D 1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung khi Transisor T khóa lại để chống quá áp rên T. Diode D 2 ngăn xung âm vào cực điều khiển. Diode D 3 mắc song song với cực điều khiển và có hể song song với ụ C có ác dụng giảm quá áp rên iếp giáp G-K khi Thyrisor bị phân cực ngược. -1 C C,1ms Giới hạn điện áp nhỏ nhấ G

5 +U n I.1.4 Các hông số cơ bản của Thyrisor Các hông số cơ bản là các hông số dựa vào đó a có hể lựa chọn mộ Thyrisor cho mộ ứng dụng cụ hể nào đó. 1/- Giá rị dòng rung bình cho phép chạy qua Thyrisor, I v Đây là giá rị dòng rung bình cho phép chạy qua Thyrisor với điều kiện nhiệ độ của cấu rúc inh hể bán dẫn của Thyrisor không vượ quá mộ giá rị cho phép. Trong hực ế dòng điện cho phép chạy qua Thyrisor còn phụ huộc vào các điều kiện làm má và nhiệ độ môi rường. Thyrisor có hể được gắn lên các bộ ản nhiệ iêu chuẩn và làm má ự nhiên. Ngoài ra, Thyrisor có hể phải được làm má cưỡng bức nhờ quạ gió hoặc dùng nước để ải nhiệ lượng oả ra nhanh hơn. Vấn đề làm má van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau, a có hể lựa chọn dòng điện heo các phương án sau: Làm má ự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến mộ phần ba dòng I v. Làm má cưỡng bức bằng quạ gió: dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng I v. Làm má cưỡng bức bằng nước: có hể sử dụng 1% dòng I v. 2/- Điện áp ngược cho phép lớn Tr 2 nhấ, U ng.max Đây là giá rị điện áp ngược lớn nhấ cho phép đặ lên Thyrisor. Tại bấ kỳ hời điểm nào điện áp giữa Anode-Cahode U AK luôn nhỏ hơn. Để đảm bảo mộ độ dự rữ nhấ định về điện áp, nghĩa là phải được chọn í nhấ là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá rị biên độ lớn nhấ của điện áp rên sơ đồ đó. 3/- Thời gian phục hồi ính chấ khóa của Thyrisor, r (s) Đây là hời gian ối hiểu phải đặ điện áp âm lên giữa Anode-Cahode của Thyrisor sau khi dòng Anode-Cahode đã về bằng không rước khi lại có hể có điện áp dương mà Thyrisor vẫn khóa. Thời gian phục hồi r là mộ hông số rấ quan rọng của Thyrisor, nhấ là rong các bộ nghịch lưu độc lập, rong đó phải luôn đảm bảo rằng hời gian dành cho quá rình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần r. 4/- Tốc độ ăng điện áp cho phép, du d (V/s) on off on off BAX * * Hình 1.4. Sơ đồ iêu biểu mạch khuếch đại xung điều khiển iriso D 2 D 1 W 1 W 2 D 3 R B Tr 2 BAX * * Hình 1.4. Sơ đồ iêu biểu mạch khuếch đại xung điều khiển iriso D 2 D 1 W 1 W 2 D 3 R B +U n C C G K G K u đkt u đkt

6 Thyrisor được sử dụng như mộ phần ử có điều khiển, ức Thyrisro được phân cực huận (U AK > ) và có ín hiệu điều khiển hì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Nhưng khi Thyrisor được phân cực huận chưa có U đk hì phần lớn điện áp rơi rên lớp iếp giáp J 2 như được chỉ ra rên hình 1.5. Lớp iếp giáp J 2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, ạo ra vùng không gian nghèo điện ích, cản rở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có hể coi như mộ ụ điện có điện dung C J. 2 Khi có điện áp biến hiên với ốc độ lớn, dòng điện của ụ điện có giá rị đáng kể, đóng vai rò như dòng điều khiển. Kế quả là Thyrisor có hể mở ra khi chưa có ín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ ăng điện áp là mộ hông số để phân biệ giữa Thyrisor ần số hấp với các Thyrisor ần số cao. Ở Thyrisor ần số hấp, du/d vào khoảng 5 đến 2 v/s; với các Thyrisor ần số cao du/d có hể đạ 5 đến 2 V/s. 5/- Tốc độ ăng dòng cho phép, di d (A.s) Khi Thyrisor bắ đầu mở, không phải mọi điểm rên iế diện inh hể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắ đầu ở mộ số điểm, gần với cực điều khiển nhấ, sau đó sẽ lan oả dần sang các điểm khác rên oàn bộ iế diện. Nếu ốc độ ăng dòng quá lớn có hể dẫn đến mậ độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phá nhiệ cục bộ quá mãnh liệ có hể dẫn đến hỏng cục bộ, ừ đó dẫn đến hỏng oàn bộ iế diện inh hể bán dẫn. Tốc độ ăng dòng cũng phân biệ Thyrisor ần số hấp, có di/d cỡ 5 1 A/s, với các Thyrisor ần số cao với di/d cỡ 5 2 A/s. Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo ốc độ ăng dòng dưới mức cho phép. Điều này đạ được nhờ mắc nối iếp các van bán dẫn với các cuộn kháng. I.2 TRIAC n K p n - p G A K n J 3 J 2 J 1 i=c J2(du/d) C J2 Hình 1.5. Hiệu ứng du/d ác dụng như dòng điều khiển T2 p n T 2 n G n p n G T1 a) b) c) Hình 1.6. Triac: a) Cấu rúc bán dẫn; b) Ký hiệu; c) Sơ đồ ương đương với hai Thyrisor song song ng T 1

7 Triac là phần ử bán dẫn có cấu rúc bán dẫn gồm năm lớp, ạo nên cấu rúc p-n-p-n như ở Thyrisor heo cả hai chiều giữa các cực T 1 và T 2 như được hể hiện rên hình 1.16a. Triac có ký hiệu rên sơ đồ như rên hình 1.6b, có hể dẫn dòng heo cả hai chiều T 1 và T 2. Về nguyên ắc, Triac hoàn oàn có hể coi là ương đương với hai Thyrisor đấu song song ngược như rên hình 1.6c. Đặc ính vôn-ampe của Triac bao gồm hai đoạn đặc ính ở góc phần ư hứ I và hứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc ính huận của mộ Thyrisor như được biểu diễn rên hình 1.7a. Triac có hể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn. Nguyên lý hực hiện điều khiển bằng xung dòng điều khiển âm được biểu diễn rên hình 1.7b. Triac đặc biệ hữu ích rong các Hình 1.7. Triac: a) Đặc ính vôn-ampe ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều b) Điều khiển riac bằng dòng điều khiển âm hoặc các công-ắc-ơ ĩnh ở dải công suấ vừa và nhỏ. I d I v i(a) U v,h (a) u U h,max - + R b) G T 2 T 1 I.3 THYRISTOR KHÓA ĐƯỢC Ở CỰC ĐIỀU KHIỂN, GTO (Gae Turn - Off Thyrisor) Các GTO, như ên gọi của nó, nghĩa là khóa lại được bằng cực điều khiển, có khả năng đóng cắ các dòng điện rấ lớn, chịu được điện áp cao giống như Thyrisor, là mộ van điều khiển hoàn oàn, có hể chủ động cả hời điểm khóa dưới ác động của ín hiệu điều khiển. Việc ứng dụng các GTO đã A (Anode) phá huy ưu điểm cơ bản của các phần ử bán p + n + p + n + p + n + p + A dẫn, đó là khả năng đóng cắ dòng điện lớn J 1 nhưng lại được điều khiển bởi các ín hiệu n V J 2 điện công suấ nhỏ. p n + n + n + J Cấu rúc bán dẫn của GTO phức ạp 3 G (Gae) hơn so với Thyrisor như được chỉ ra rên hình 1.8. Ký hiệu của GTO cũng chỉ ra ính K (Cahode) chấ điều khiển hoàn oàn của nó. Đó là dòng Hình 1.8. GTO: điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn a) Cấu rúc bán dẫn; b) Ký hiệu dòng đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện ích ra khỏi cấu rúc bán dẫn của nó, để khóa GTO lại. Trong cấu rúc bán dẫn của GTO lớp p, Anode được bổ sung các lớp n+. Dấu + ở bên cạnh chỉ ra rằng mậ độ các điện ích ương ứng, các lỗ hoặc điện ử, được làm giàu hêm với mục đích làm giảm điện rở khi dẫn của các vùng này. Cực điều G K a) b)

8 khiển vẫn được nối vào lớp p hứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n + của Cahode. Khi chưa có dòng điểu khiển, nếu Anode có điện áp dương hơn so với Cahode hì oàn bộ điện áp sẽ rơi rên iếp giáp J 2 ở giữa, giống như rong cấu rúc của Thyrisor. Tuy nhiên nếu Cahode có điện áp dương hơn so với Anode hì iếp giáp p + - n ở sá Anode sẽ bị đánh hủng ngay ở điện áp rấ hấp, nghĩa là GTO không hể chịu được điện áp ngược. GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở Thyrisor hường. Tuy nhiên do cấu rúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy rì ở GTO cao hơn ở Thyrisor hường. Do đó, dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy rì rong hời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượ xa giá rị dòng duy rì. Giống như ở Thyrisor hường, sau khi GTO đã dẫn hì dòng điều khiển không còn ác dụng. Như vậy, có hể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suấ không đáng kể. Để khoá GTO, mộ xung dòng phải được lấy ra ừ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, iếp giáp J2 chứa mộ số lượng lớn các điện ích sinh ra do ác dụng của hiệu ứng bắn phá "vũ bão" ạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện ử di chuyển ừ Cahode, vùng n + đến Anode, vùng p +, ạo nên dòng Anode. Bằng cách lấy đi mộ số lượng lớn các điện ích qua cực điêu khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n + của Anode và vùng n + của Cahode. Kế quả là dòng Anode sẽ bị giảm cho đến khi bằng. Dòng điều khiển được duy rì mộ hời gian ngắn để GTO phục hồi ính chấ khóa. Yêu cầu về xung điều khiển và nguyên ắc hực hiện được hể hiện rên hình 1.9. Hình 1.9a hể hiện xung dòng khoá GTO phải có biên độ rấ lớn, vào khoảng 2 25% biên độ dòng Anode-Cahode. Mộ yêu cầu quan rọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung rấ lớn, sau khoảng,5 1s. Điều này giải hích ại sao nguyên lý hực hiện ạo xung dòng khoá là nối mạch cực điều khiển vào mộ nguồn dòng. Về nguyên ắc, nguồn dòng có nội rở bằng không và có hể cung cấp mộ dòng điện vô cùng lớn. Sơ đồ đơn giản rên hình 1.1 mô ả việc hực hiện nguyên lý điều khiển rên. Mạch điện dùng hai khoá Transisor T 1, T 2. Khi ín hiệu điều khiển là 15V, T 1 mở, dòng chạy ừ nguồn 15V qua điện rở hạn chế R 1 nạp điện cho ụ C l ạo nên dòng chạy vào 15V V I G Më I G max +15V T 1 T 2 R 1 Khãa a) b) Hình 1.9. Nguyên lý điều khiển GTO: a) Yêu cầu dạng xung điều khiển; b) Nguyên lý hực hiện C 1 D Z 12V G G V A K A V K Hình 1.1. Mạch điều khiển GTO

9 cực điều khiển của GTO. Khi ụ C 1 nạp đầy đến điện áp của diode ổn áp D z (12V), dòng điều khiển kế húc. Khi ín hiệu điều khiển đưa vào cực gốc T 1, T 2. T 2 sẽ mở do có điện áp rên ụ C 1, ụ C 1 bị ngắn mạch qua cực điều khiển và Cahode, Transisor T 2 ạo nên dòng đi ra khỏi cực điều khiển, khoá GTO lại. Diode D z ngăn không cho ụ C, nạp ngược lại. Ở đây vai rò của nguồn áp chính là ụ C l, do đó ụ C l Phải chọn là loại có chấ lượng rấ cao. Transisor T 2 phải chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy qua. I.4 TRANSISTOR CÔNG SUẤT, BJT (Bipolar Juncion Transisor) Transisor là phần ử bán dẫn có cấu rúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p (bóng huận) hoặc n-p-n (bóng ngược), ạo nên hai iếp giáp p-n. Cấu rúc này hường được gọi là Bipolar Juncion Transisor (BJT), vì dòng điện chạy rong cấu rúc này bao gồm cả hai loại điện ích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực ính). Transisor có ba cực: Base (B), Collecor (C) và Emier (E). BJT công suấ hường là loại bóng ngược. Cấu rúc iêu biểu và ký hiệu rên sơ đồ của mộ BJT công suấ được biểu diễn rên hình 1.11, rong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh hủng của iếp giáp B-C và do đó của C-E. Trong chế độ uyến ính, hay còn gọi là chế độ khuếch đại, Transisor là phần ử khuếch đại dòng điện với dòng Collecor I c bằng lần dòng Base (dòng điều khiển), rong đó là hệ số khuếch đại dòng điện. I c =.I B Tuy nhiên, rong điện ử công suấ Transisor chỉ được sử dụng như mộ phần ử khoá. Khi mở dòng điều khiển phải hỏa mãn điều kiện: I I I C C B hay IB kbh Trong đó k bh = 1,2 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó Transisor sẽ ở rong chế độ bão hòa với điện áp giữa Collecor và Emier rấ nhỏ, cỡ 1 1,5V, gọi là điện áp bão hòa, U CE. bh. Khi khoá, dòng điều khiển I B bằng không, lúc đó dòng Collecor gần bằng không, điện áp U sẽ lớn đến giá rị điện áp nguồn cung cấp cho mạch ải nối iếp với Transisor. CE B Tổn hao công suấ rên Transisor bằng ích của dòng điện Collecor với điện áp rơi rên Collecor-Emier, sẽ có giá rị rấ nhỏ rong chế độ khoá. Trong cấu rúc bán dẫn của BJT, ở chế độ khoá, cả hai iếp giáp B-E và B-C đều bị phân cực ngược. Điện áp đặ giữa Collecor-Emier sẽ rơi chủ yếu rên vùng rở n p (Base) n n - n E (Emier) C a) b) Hình BJT: a) Cấu rúc bán dẫn; b) Ký hiệu n B C E

10 kháng cao của iếp giáp p n. Độ dày và mậ độ điện ích của lớp n xác định khả năng chịu điện áp của cấu rúc BJT. Transisor ở rong chế độ uyến ính nếu iếp giáp B-E phân cực huận và iếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế độ uyến ính, số điện ích dương đưa vào ừ cực Base sẽ kích hích các điện ử ừ iếp giáp B-C hâm nhập vào vùng Base, ại đây chúng được rung hòa hế. Kế quả là ốc độ rung hòa quyế định dòng Collecor ỷ lệ với dòng Base, Ic IB. Transisor ở rong chế độ bão hòa nếu cả hai iếp giáp B-E và B-C đều được phân cực huận. Các điện ử sẽ hâm nhập vào đầy vùng Base, vùng p, ừ cả hai iếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện ích dương được đưa vào ừ cực Base có số lượng dư hừa hì các điện ích sẽ không bị rung hòa hế, kế quả là vùng Base sẽ rở nên vùng có điện rở nhỏ, dòng điện có hể chạy qua. Cũng do ốc độ rung hòa điện ích không kịp nên Transisor không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá rị dòng điện sẽ hoàn oàn do mạch ngoài quyế định. Đó là chế độ mở bão hòa. Cơ chế ạo ra dòng điện ở đây là sự hâm nhập của các điện ích khác dấu vào vùng Base p, các điện ử, vì vậy BJT còn gọi là cấu rúc với các hạ mang điện phi cơ bản, phân biệ với cấu rúc MOSFET, là cấu rúc với các hạ mang điện cơ bản. I.4.1 Đặc ính đóng cắ của Transisor u B U B1 +U n U B2 R U BE() U B2 i B(),7V I B1 () u B () U B1 U B2 R B i B () C BC B C BE i C () E C (a) u CE() I B2() +U n i C() U n-i C,bh.R I C,bh (b) H nh Qu r nh ãng-c¾ mé BJT a/- S å b/- D¹ng sãng dßng, p (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) Chế độ đóng cắ của Transisor phụ huộc chủ yếu vào các ụ ký sinh giữa các iếp giáp B-E và B-C, C BE và C BC. Ta phân ích quá rình đóng cắ của mộ Transisor qua sơ đồ khoá rên hình 1.12a, rong đó Transisor đóng cắ mộ ải huần rở R dưới điện áp

11 U n điều khiển bởi ín hiệu điện áp ừ U B 2 điện, điện áp cho rên hình 1.12b. a. Quá rình mở đến U B và ngược lại. Dạng sóng dòng 1 Theo đồ hị ở hình 1.12, rong khoảng hời gian (1), BJT đang rong chế độ khoá với điện áp ngược U B đặ lên iếp giáp B-E. Quá rình mở BJT bắ đầu khi ín hiệu điều 2 khiển nhảy ừ U B lên mức U 2 B. Trong khoảng (2), ụ đầu vào, giá rị ương đương 1 bằng Cin CBE CBC, nạp điện ừ điện áp U B đến U 2 B. Khi U 1 BE còn nhỏ hơn không, chưa có hiện ượng gì xảy ra đối với I và C U CE. Tụ C in chỉ nạp đến giá rị ngưỡng mở * U của iếp giáp B-E, cỡ,6,7v, bằng điện áp rơi rên diode heo chiều huận, hì quá rình nạp kế húc. Dòng điện và điện áp rên BJT chỉ bắ đầu hay đổi khi U giá rị không ở đầu giai đoạn (3). Khoảng hời gian (2) gọi là hời gian rễ khi mở, don của BJT. Trong khoảng (3), các điện ử xuấ phá ừ Emier hâm nhập vào vùng Base, vượ qua iếp giáp B-C làm xuấ hiện dòng Collecor. Các điện ử hoá ra khỏi Collecor càng làm ăng hêm các điện ử đến ừ Emier. Quá rình ăng dòng I, C I E iếp ục xảy ra cho đến khi rong Base đã ích lũy đủ lượng điện ích dư hừa QB mà ốc độ ự rung hòa của chúng đảm bảo mộ dòng Base không đổi: I B1 UB U 1 R B * Tại điểm cộng dòng điện ại Base rên sơ đồ hình I.12a, a có: rong đó: I i i i B1 C. BE C. BC B i C. BE là dòng nạp của ụ C BE, i C. BC là dòng nạp của ụ C BC, i B là dòng đầu vào của Transisor, i C i Dòng Collecor ăng dần heo quy luậ hàm mũ, đến giá rị cuối cùng là I ( ) =.I. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) hì dòng IC đã đạ đến giá rị bão C B 1 B BE hòa, I C.bh, BJT ra khỏi chế độ uyến ính và điều kiện i C i B không còn ác dụng nữa. Trong chế độ bão hòa cả hai iếp giáp B-E và B-C đều được phân cực huận. Vì khoá làm việc với ải rở rên Collecor nên điện áp rên Collecor - Emier V CE cũng giảm heo cùng ốc độ với sự ăng của dòng I C. Khoảng hời gian (3) phụ huộc vào độ lớn của dòng I B1, dòng này càng lớn hì hời gian này càng ngắn. Trong khoảng (4), phần cuối của điện áp bão hòa cuối cùng xác định bởi biểu hức: U U I R CE n. C. bh 1 U CE iếp ục giảm đến giá rị điện áp

12 Thời gian (4) phụ huộc quá rình suy giảm điện rở của vùng n và phụ huộc cấu ạo của BJT; Trong giai đoạn ( 5): BJT hoàn oàn làm việc rong chế độ bão hòa. b. Quá rình khoá BJT Trong hời gian BJT ở rong chế độ bão hòa, điện ích ích ụ không chỉ rong lớp Base mà cả rong lớp Collecor. Khi điện áp điều khiển hay đổi ừ U B xuống U 1 B ở đầu giai đoạn (6), điện ích 2 ích lũy rong các lớp bán dẫn không hể hay đổi ức hời. Dòng I B lúc này sẽ có giá rị: I B2 U B2 U R B * Lúc đầu các điện ích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi I B Giai 2 đoạn di chuyển kế húc ở cuối giai đoạn (6) khi mậ độ điện ích rong iếp giáp Base- Collecor giảm về bằng không và sau đó iếp giáp nay bắ đầu bị phân cực ngược. Khoảng hời gian (6) gọi là hời gian rễ khi khoá, doff. Trong khoảng (7), dòng Collecor I C bắ đầu giảm về bằng không, điện áp U CE sẽ ăng dần ới giá rị Un. Trong khoảng này BJT làm việc rong chế độ uyến ính, rong đó dòng I C ỷ lệ với dòng Base. Tụ C BC bắ đầu nạp ới giá rị điện áp ngược, bằng U n. Lưu ý rằng rong giai đoạn này, ại vùng Base rên sơ đồ hình 1.12a, a có: I I i B2 C. BC B Trong đó: C. BC ; i B là dòng đầu vào của Transisor. Từ I là dòng nạp của ụ C BC đó có hể hấy quy luậ I. i vẫn được hực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực C B huận, iếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) Transisor mới khoá lại hoàn oàn. Trong khoảng (8), ụ Base-Emier iếp ục nạp ới điện áp ngược U B 2 Transisor ở chế độ khoá hoàn oàn rong khoảng (9). c. Dạng ối ưu của dòng điều khiển khoá Transisor Transisor có hể khoá lại bằng cách cho điện áp đặ giữa Base-Emier bằng không, uy nhiên có hể hấy rằng khi đó hời gian khoá sẽ bị kéo dài đáng kể. Khi dòng I, oàn bộ điện ích ích lũy rong cấu rúc bán dẫn của Transisor sẽ suy giảm B2 dần dần ới khi Transior có hời gian khóa. Có hể rú ngắn hời gian mở, khoá Transisor bằng cách cưỡng bức quá rình di chuyển điện ích nhờ dạng dòng điện điều khiển như biểu diễn rên hình Ở hời điểm mở, dòng I B có giá rị lớn hơn nhiều so với giá rị 1 cần hiế để bão hòa BJT rong chế độ dẫn, I kbh. I B on C. Như vậy hời gian rễ khi mở I Bon i B () I B1 K bh.i C Hình Dạng dòng điện điều khiển lý ưởng cho mộ khóa BJT

13 và hời gian mở ron (khoảng (3) rên đồ hị hình 1.12b) sẽ được rú ngắn. Dòng khoá I B2 doff và hời gian khoá r off cũng cần có biên độ lớn để rú ngắn hời gian rễ khi khoá (khoảng (7) rên đồ hị hình 1.12b). Tuy nhiên, dòng I B cũng làm nóng các iếp giáp rong BJT, vì vậy giá rị biên độ của chúng cũng phải được hạn chế phù hợp heo các giá rị giới hạn cho rong các đặc ính kỹ huậ của nhà sản xuấ. I.4.2 Đặc ính ĩnh của BJT và cách mắc sơ đồ Darlingon Đặc ính ĩnh của mộ BJT cho rên hình l.14a và b. Đặc ính rên hình 1.14a biểu diễn mối quan hệ giữa dòng Collecor và dòng Base I, I, ại các điện áp U CE khác C B nhau với vùng làm việc uyến ính, và vùng bão hoà. Với mộ dòng làm việc I C nào đó, để có được điện áp rơi rên BJT nhỏ hì dòng I B phải ương đối lớn. Độ nghiêng của đường đặc ính điều khiển = I C /I B hể hiện hệ số khuếch đại dòng điện. Có hể hấy rằng hệ số khuếch đại dòng điện của BJT công suấ ương đối hấp, hông hường 1, điều này nghĩa là BJT yêu cầu dòng điều khiển ương đối lớn. Hệ số khuếch đại dòng điện giảm mạnh khi dòng làm việc lớn hơn. Có hể giảm được dòng điều khiển nhờ cách mắc Darlingon. Đặc ính ra, hể hiện rên hình 1.14b, là mối quan hệ giữa dòng Collecor và điện áp Collecor, U CE với I B là có ba giá rị điện áp đánh hủng U CE, U CB, U SUS. Các giá rị điện áp này được cho rong các đặc ính kỹ huậ của nhà sản xuấ. U CB là điện áp đánh hủng iếp giáp Base-Collecor khi hở mạch Emier. U CB là điện áp đánh hủng Collecor - Emier khi dòng điều khiển bằng không. Có hể hấy U CE có giá rị lớn hơn điện áp C đánh hủng Collecor-Emier khi dòng điều khiển lớn B 1 hơn không, U SUS. Vì vậy để ăng khả năng chịu điện áp Q1 của phần ử khi khoá phải đảm bảo rằng dòng điều khiển I B bằng không. Nói chung điện áp làm việc phải nhỏ hơn U SUS. D1 Cách mắc sơ đồ Darlingon Nói chung các BJT có hệ số khuếch đại dòng điện ương đối hấp, dẫn đến dòng điều khiển yêu cầu quá 5 I C(A) Vïng uyõn Ýnh 5 U CE=2V I 1 C U I CE=2V I C I C I B B ChiÒu ng I B 1 U SUS U CE=5V Vïng b o hßa U CE=,5V U CE=,2V I B(A) I B = Hë Emier U CBO U CEO U CE Hình Đặc ính ĩnh của BJT a) Đặc ính điều khiển; b) Đặc ính ra B 2 Q 2 E Hình Tranzio mắc Darlingon

14 Hình Sự ạo hành kênh dẫn rong cấu rúc MOSTET lớn. Sơ đồ mắc Darlingon là cách nối hai Transisor Q 1, Q 2 với hệ số khuếch đại dòng ương ứng l, 2 như được biểu diễn rên hình 1.15, có hệ số khuếch đại dòng chung bằng: = l. 2. Để ăng hệ số khuếch đại dòng hơn nữa có hể mắc Darlingon ừ ba Transisor. Người a sản xuấ các Transisor Darlingon rong cùng mộ vỏ, rong đó ích hợp diode D 1 dùng để cưỡng bức quá rình khoá Q 2. Tuy nhiên cách nối Darlingon làm cho điện áp rơi rên Collecor-Emier của Transisor hợp hành lớn hơn so với rường hợp chỉ dùng mộ Transisor, nghĩa là ổn hấ rên phần ử khi dẫn dòng cũng lớn hơn. Điều này có hể được chứng ỏ qua sơ đồ ở hình 1.15 vì điện áp giữa Collecor-Emier của mạch Darlingon bằng: U CE = U CE.Q1 + U BE.Q2 rong đó U BE.Q2 có giá rị không đổi khi Transisor dẫn dòng. I.5 TRANSISTOR TRƯỜNG, MOSFET I.5.1 (Meal-Oxlde-Semiconducor Field-Effec Transisor) Cấu ạo và nguyên lý hoạ động của MOSFET Khác với cấu rúc BJT, MOSFET có cấu rúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 1.16 a và b hể hiện cấu rúc bán dẫn và ký hiệu của mộ MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó (G - Gae) là cực điều khiển được cách ly hoàn oàn với cấu rúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn đioxil-silic (SiO 2 ). Hai cực còn lại là cực gốc (S - Source) và cực máng (D - Drain). Cực máng là cực đón các hạ mang điện. Nếu kênh dẫn là n hì các hạ mang điện sẽ là các điện ử (elecron), do đó cực ính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực gốc. Trên ký hiệu phần ử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ ra rằng rong điều kiện bình hường không có mộ kênh dẫn hực sự nối giữa D và S. Cấu rúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng ương ự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suấ là loại có kênh dẫn kiểu n. Trên Hình 1.17 mô ả sự ạo hành kênh dẫn rong cấu rúc bán dẫn của MOSFET. Trong chế độ làm việc bình hường u DS >. Giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng không, n Cùc iòu khión (G Gae) p n n - n Cùc gèc (S Source) n p Cùc m ng (D Drain) a) b) Hình MOSFET (kênh dẫn n) a/- Cấu rúc bán dẫn; b/-ký hiệu a) b) c) n n n p p n n n n Vïng nghìo iön Ých n - n Kªnh dén p n Diode rong n - n n - n n n G p p p D S n n n

15 u DS =, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn oàn không xuấ hiện. Giữa cực gốc và cực máng sẽ là iếp giáp p-n - phân cực ngược. Điện áp u DS sẽ hoàn oàn rơi rên vùng nghèo điện ích của iếp giáp này (hình 1.17a). Nếu điện áp điều khiển âm, U GS <, hì vùng bề mặ giáp cực điều khiển sẽ ích ụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không hể xuấ hiện. Khi điện áp điều khiển là dương, U GS > và đủ lớn bề mặ iếp giáp cực điều khiển sẽ ích ụ các điện ử, và mộ kênh dẫn hực sự đã hình hành (hình 1.17b). Như vậy rong cấu rúc bán dẫn của MOSFET, các phần ử mang điện là các điện ử, giống như của lớp n ạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần ử với các hạ mang điện cơ bản, khác với các cấu rúc của BJT, IGBT, Thyrisor là các phần ử với các hạ mang điện phi cơ bản. Dòng điện giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ huộc vào điện áp U DS. Từ cấu rúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.17c), có hể hấy rằng giữa cực máng và cực gốc ồn ại mộ iếp giáp p-n - ương đương với mộ diode ngược nối giữa D và S. Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để rao đổi năng lượng giữa ải và nguồn hường cần có các diode ngược mắc song song với các van bán dẫn. Như vậy ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn mộ diode nội ại như vậy. Trên Hình 1.18 hể hiện đặc ính ĩnh của mộ khoá MOSFET. Khi điện áp điều khiển U GS nhỏ hơn mộ ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET ở rạng hái khoá với điện rở rấ lớn giữa cực máng D và cực gốc S. Khi U GS cỡ 5-7V, MOSFET sẽ ở rong chế độ dẫn. Thông hường điều khiển MOSFET bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi rên D và S. Khi đó U DS sẽ gần như ỷ lệ với dòng I D. Đặc ính ĩnh của MOSFET có hể được uyến ính hoá chỉ bao gồm hai đoạn hể hiện hai chế độ khoá và dẫn dòng như được hể hiện rên cùng hình Theo đặc ính này dòng qua MOSFET chỉ xuấ hiện khi điện áp điều khiển vượ qua mộ giá rị ngưỡng U GS(h). Khi đó độ nghiêng của đường đặc ính khi dẫn dòng đặc rưng bởi độ dẫn: G m ID U GS Trong đó: U GS(h), g m là những hông số của MOSFET. Người a có hể dùng giá rị nghịch đảo của g m là điện rở huận R DS(ON) để đặc rưng cho quá rình dẫn của MOSFET. I.5.2. Đặc ính đóng cắ của MOSFET 1A 5A I D (A) 5V U DS =2V U DS =1V 1V U DS =2V DÉn dßng U DS =1V U DS =,5V Hình Đặc ính ĩnh của MOSFET U GS

16 Do là mộ phần ử với các hạ mang điện cơ bản, MOSFET có hể đóng cắ với ần số rấ cao. Tuy nhiên để có hể đạ được hời gian đóng cắ rấ ngắn hì vấn đề điều khiển là rấ quan rọng. Cơ chế ảnh hưởng đến hời gian đóng cắ của MOSFET là các ụ điện ký sinh giữa các cực. Cực điều khiển G (Gae) B (Base) BJT ký sinh n + p C ds n - C gs C gd p n + Điô rong Vùng nghèo điện ích C GD R Gin C GS R DS(on) D C DS n + S Cực máng D (Drain) Hình Mô hình mộ khóa MOSFET a/- Các hành phần ụ ký sinh giữa các lớp bán dẫn rong cấu rúc MOSFET; b/- Mạch điện ương đương Trên Hình 1.19a hể hiện các hành phần ụ điện ký sinh ạo ra giữa các phần rong cấu rúc bán dẫn của MOSFET. Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc C GS Phải được nạp đến điện áp U GS(h) rước khi dòng cực máng có hể xuấ hiện. Tụ giữa cực điều khiển và cực máng C GD có ảnh hưởng mạnh đến giới hạn ốc độ đóng cắ của MOSFET. Hình 1.19b chỉ ra sơ đồ ương đương của mộ MOSFET và các ụ ký sinh ương ứng. Các ụ này hực ra có giá rị hay đổi ùy heo mức điện áp, ví dụ C GD hay đổi heo điện áp U DS giữa giá rị hấp C GDI và giá rị cao C GDh như được chỉ ra rên hình 1.2. a. Quá rình mở Giả sử a xé quá rình mở MOSFET, U DD D C GD I GD D R Gex Driver I G G C GD R Gin C GS C DS C GDI U DS =U GS Hình 1.2. Sự phụ huộc của ụ điện C GD vào điện áp U DS U DS R dr I GS Hình 1.21a. Sơ đồ quá rình mở mộ MOSFET làm việc với ải rở cảm, có diode không. Đây S

17 là chế độ làm việc iêu biểu của các khóa bán dẫn. Sơ đồ và đồ hị dạng dòng điện, điện áp của quá rình mở MOSFET được hể hiện rên hình 1.21a và hình 1.21b. Tải cảm rong sơ đồ hể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược với diode dưới điện áp mộ chiều U DD. MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của vi mạch DRIVER dưới nguồn nuôi U CC nối iếp quang điện rở R Gex. Cực điều khiển có điện rở nội R Gin. Khi có xung dương ở đầu vào của DRIVE, ở đầu ra của nó sẽ có xung với biên độ U P đưa đến rở R Gex. Như vậy U GS sẽ ăng với hằng số hời gian xác định bởi: T 1 = (R dr + R Gex + R Gin ).(C GS + C GDI ) Trong đó ụ C GD đang ở mức hấp, C GD1 do điện áp U DS đang ở mức cao. Theo đồ hị, rong khoảng hời gian ừ đến 1, ụ (C GS + C DSI ) được nạp heo quy luậ hàm mũ ới giá rị ngưỡng U GS(h). Trong khoảng này cả điện áp U DS lẫn dòng I D đều chưa hay đổi. d(on) = 1 gọi là hời gian rễ khi mở. Bắ đầu ừ hời điểm 1 khi U GS đã vượ qua giá rị ngưỡng, dòng cực máng I D bắ đầu ăng, uy nhiên điện áp U DS vẫn giữ nguyên ở giá rị điện áp nguồn U DD. Trong khoảng 1 đến 2, dòng I D ăng uyến ính rấ nhanh, đạ đến giá rị dòng ải. Từ 2 rở đi, khi U GS đạ đến mức, gọi là mức Miller, điện áp U DS bắ đầu giảm rấ nhanh. Trong khoảng ừ 2 đến 4, điện áp U GS bị găm ở mức Miller, do đó dòng I G cũng có giá rị không đổi. Khoảng này gọi là khoảng Miller. Trong khoảng hời gian này, U P U dr U P U dr dòng điều khiển là T dòng U ( ) U.(1 e 1 ) GS P T U GS U GS phóng U ( ) U.(1 e 2 ) GS P cho U h ụ C U GD h Møc Miller Møc Miller để giảm I G I G nhanh điện áp giữa i i cực G () G () A A máng 1 2 và cực gốc U DS U DS U DS. u DS () u DS () U DS(o n) U DS(on) I D i D () I D i D () Hình 1.21b. Quá rình mở mộ MOSFET (Đồ hị dòng điện, điện áp) Hình Quá rình mở mộ MOSFET dưới ảnh hưởng của quá rình phục hồi diode (Đồ hị dòng điện, điện áp) 4

18 Sau hời điểm 4, U GS lại ăng iếp ục vợi hằng số hời gian: T 2 = (R dr + R Gex + R Gin ) (C GS + C GDh ) Vì lúc này ụ C GD đã ăng đến giá rị cao C GDh (hình 1.2). U GS sẽ ăng đến giá rị cuối cùng, xác định giá rị hấp nhấ của điện áp giữa cực gốc và cực máng, U DS = I DS.R DS(on). Trên đồ hị ở hình 1.21, A 1 đặc rưng cho điện ích nạp cho ụ (C GS + C GD ) rong khoảng 1 đến 2, A 2 đặc rưng cho điện ích nạp cho ụ C GD rong khoảng 2 đến 4. Nếu coi diode không D không phải là lý ưởng hì quá rình phục hồi của diode sẽ ảnh hưởng đến dạng sóng của sơ đồ như chỉ ra rong hình 1.22, heo đó dòng I D có đỉnh nhô cao ở hời điểm 2 ương ứng với dòng ngược của quá rình phục hồi diode D. b. Quá rình khoá MOSFET Dạng sóng của quá rình khoá hể hiện rên hình Khi đầu ra của vi mạch điều khiển Driver xuống đến mức không U GS bắ đầu giảm heo hàm mũ với hằng số hời gian T 2 = (R dr + R Gex + R Gin ).(C GS + C GDh ) ừ đến 1. Tuy nhiên sau hời điểm 3 hì hằng số hời gian lại là: T 1 = (R dr + R Gex + R Gin ).(C GS + C GDI ).

19 +UDD D UCC IGD D CGD Rdr RGex RGin CDS Driver IG G CGS IGS S Hình Quá rình khóa MOSFET a/- Sơ đồ b/- Dạng sóng Từ đến 1 là hời gian rễ khi khoá d(off), dòng điều khiển phóng điện cho ụ C GS và ụ C GD. Sau hời điểm, điện áp U SD bắ đầu ăng ừ I D.R DS(on) đến giá rị cuối cùng ại 3, rong khi đó dòng I D vẫn giữ nguyên mức cũ. Khoảng hời gian ừ 2 đến 3 ương ứng với mức Miller, dòng điều khiển và điện áp rên cực điều khiển giữ nguyên giá rị không đổi. Sau hời điềm 3 dòng I D bắ đầu giảm về đến không ở hời điềm 4. Từ 4 MOSFET bị khoá hẳn. c. Các hông số hể hiện khả năng đóng cá của MOSFET Như vậy hời gian rễ khi mở, khi khoá phụ huộc giá rị các ụ ký sinh C GS.C GD.C DS, uy nhiên các hông số kỹ huậ của MOSFET hường được cho dưới dạng các rị số ụ C ISS, C RSS, C OSS dưới những điều kiện nhấ định như điện áp U DS, U GS. Có hể ính ra các ụ ký sinh như sau: C GD = C RSS C GS = C ISS - C RSS C DS = C OSS - C RSS Có hể ính các giá rị rung bình cho các ụ C GD và C DS với điện áp làm việc ương ứng heo công hức gần đúng sau đây: C GD = 2(C RSS. làm việc ).(U DS.làm việc /U DS.off ) 1/2 C OSS = 2(C OSS. làm việc ).(U DS.làm việc /U DS.off ) 1/2 Để xác định công suấ của mạch điều khiển MOSFET, các ài kiệu kỹ huậ hường cho hông số điện ích nạp cho cực điều khiển Q G (đơn vị: Culông (C)) dưới

20 điện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc. U DS(off) nhấ định. Khi đó công suấ mạch điều khiển được ính bằng: P điều khiển = U CC.Q g.f gw rong đó: f gw là ần số đóng cắ của MOSFET. Tổn hao công suấ do quá rình đóng cắ rên MOSFET được ính bằng: 1 P U I f 2 gw DS D w on off rong đó on, off là hời gian mở và khoá của MOSFET, ương ứng là các khoảng hời gian ừ 1 đến 4 rên đồ hị dạng sóng các quá rình mở - khoá. I.6. TRANSISTOR CÓ CỰC ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY, IGBT (Insulaed Gae Bipolar Transisor) I.6.1. Cấu ạo và nguyên lý hoạ động IGBT là phần ử kế hợp khả năng đóng cắ nhanh của MOSFET và khả năng chịu ải lớn của Transisor hường. Về mặ điều khiển, IGBT gần như giống hoàn oàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suấ điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Hình 1.24 giới hiệu cấu rúc bán đẫn của mộ IGBT. G (Gae) E (Emier) n p n n p n n + p n p n n n p i 2 n + p C G E i 1 i 2 E G C E a) C - (Collecor) b) c) d) Hình IGBT a) Cấu rúc bán dẫn; b) Cấu rúc ương đương với mộ ranzio n-p-n và mộ MOSFET; c) Sơ đồ ương đương; d) Ký hiệu Về cấu rúc bán dẫn, IGBT rấ giống với MOSFET, điểm khác nhau là có hêm lớp p nối với Collecor ạo nên cấu rúc bán dẫn p-n-p giữa Emier (ương ự cực gốc) với Collecor (ương ự với cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET (hình 1.24b). Có hề coi IGBT ương đương với mộ Transisor p-n-p với dòng Base được điều khiển bởi mộ MOSFET (hình 1.24b và c). Dưới ác dụng của điện áp điều khiển U GE >, kênh dẫn với các hạ mang điện là các điện ử được hình hành, giống như ở cấu rúc MOSFET. Các điện ử di chuyển về phía Collecor vượ qua lớp iếp giáp n - -p như ở cấu rúc giữa Base và Collecor ở Transisor hường ạo nên dòng Collecor. I.6.2. Đặc ính đóng cắ của IGBT

21 Do có cấu rúc p-n - -p mà điện áp huận giữa C và E rong chế độ dẫn dòng ở IGBT hấp hơn so với ở MOSFET. Tuy nhiên cũng do cấu rúc này mà hời gian đóng cắ của IGBT chậm hơn so với MOSFET. đặc biệ là khi khóa lại. Trên hình 1.24b và c hể hiện cấu rúc I D ương đương của IGBT với mộ MOSFET và mộ p- + n-p Transisor. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai U dc - hành phần: i 1 là dòng qua MOSFET, i 2 là dòng qua C gc R G D Transisor. Phần MOSFET rong IGBT có hể khóa + C ge U lại nhanh chóng nếu xả hế được điện ích giữa G và G - E, do đó dòng i l sẽ bằng không. Tuy nhiên hành phần dòng i 2 sẽ không hể suy giảm nhanh được do Hình Sơ đồ hử nghiệm lượng điện ich ích lũy rong lớp n - (ương đương mộ khóa IGBT với Base của cấu rúc p-n-p) chỉ có hể mấ đi do quá rình ự rung hòa điện ích. Điều này dẫn đến xuấ hiện vùng dòng điện bị kéo dài khi khóa mộ IGBT. Ta sẽ kháo sá quá rình mở và khóa mộ IGBT heo sơ đồ hử nghiệm cho rên hình Trên sơ đồ IGBT đóng cắ mộ ải cảm có diode không D o mắc song song. IGBT được điều khiển bởi nguồn ín hiệu với biên độ U G nối với cực điều khiến G qua điện rở R C. Trên sơ đổ C gc, C gc hể hiện các ụ ký sinh giữa cực điều khiển và Collecor, Emier. a. Quá rình mở IGBT Quá rình mở IGBT diễn ra rấ giống với quá rình này ở MOSFET khi điện áp điều khiển dầu vào ăng ừ không đến giá rị U G. Trong hời gian rễ khi mở d(on) ín hiệu điều khiển nạp điện cho ụ C GC làm điện áp giữa cực điều khiển và Emier ăng heo quy luậ hàm mũ, ừ không đến giá rị ngưỡng U GE(h) (khoảng 3 đến 5V), chỉ bắ đầu ừ đó MOSFET rong cấu rúc của IGBT mới bắ đầu mở ra. Dòng điện giữa Collecor - Emier ăng heo quy luậ uyến ính ừ không đến dòng ải I o rong hời gian r. Trong hời gian r điện áp giữa cực điều khiển và Emier ăng đến giá rị U GEo xác định giá rị dòng I qua Collecor. Do diode D, còn đang dẫn dòng ải I, nên điện áp U CE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn mộ chiều U dc. Tiếp heo quá rình mở diễn ra heo hai giai đoạn, fv1 và fv2. Trong suố hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiền giữ nguyên ở mức U GEIo (mức Miller), để duy rì dòng I, do dòng điều khiển hoàn oàn là dòng phóng của ụ C gc. IGBT vẫn làm việc rong chế độ uyến ính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá rình khóa và phục hồi của diode D, dòng phục hồi của diode D ạo nên xung dòng rên mức dòng I của IGBT. Điện áp U CE bắ đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ uyến ính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn hai iếp diễn quá rình giảm điện rở rong vùng huần rở của Collecor, U GE U G U GE. I U GE h. Ic U CE U dc d(on) r fv1 fv2 Tổn hao khi mở on Diode D I U CE.on (µs) (µs) (µs) (µs) Hình Quá rình mở IGBT

22 U GE U G dẫn đến điện rở giữa Collecor - Emier về đến giá rị R on khi khóa bão hòa hoàn oàn. U CE.on = I.R on. Sau hời gian mở on, khi ụ C gc đã Phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và Emier iếp ục ăng heo quy luậ hàm mũ, với hằng số hời gian bằng C gc R G đến giá rị cuối cùng U G. Tổn hao năng lượng khi mở được ính gần đúng bằng: U.I Q dc on on 2 Nếu ính hêm ảnh hưởng của quá rình phục hồi của diode D hì ổn hao năng lượng sẽ lớn hơn do xung dòng rên dòng Collecor. b. Quá rình khóa Hình Quá rình khoá IGBT Dạng điện áp, dòng điện của quá rình khoá hể hiện rên hình Quá rình khóa bắ đầu khi diện áp điều khiển giảm ừ U G xuống -U G. Trong hời gian rễ khi khóa d(off) chỉ có ụ đầu vào C ge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số hời gian bằng C ge R G, ới mức điện áp Miller. Bắ dầu ừ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và Emier bị giữ không đổi do điện áp U cc bắ đầu ăng lên và do đó ụ C gc bắ đầu được nạp điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn oàn là dòng nạp cho ụ C gc nên điện áp U GE được giữ không đổi. Điện áp U cc ăng ừ giá rị bão hòa U cc.on ới giá rị điện áp nguồn U dc sau khoảng hời gian rv. Từ cuối khoảng rv diode D bắ đầu mở ra cho dòng ải I ngắn mạch qua, do đó dòng Collecor bắ đầu giảm. Quá rình giảm diễn ra heo hai giai đoạn, fi1 và fi2. Trong giai đoạn đầu, hành phần dòng i 1 của MOSFET rong cấu rúc bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về không. Điện áp U GC ra khỏi mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiến ở đầu vào -U G với hằng số hời gian: R G (C gc + C gc ) U GE.Io U GE(h) Ở cuối khoảng fi1, U gc đạ mức ngưỡng khóa của MOSFET. U GE(h) ương ứng với việc MOSFET bị khóa hoàn oàn. Trong giai đoạn hai, hành phần dòng i 2 của Transisor p-n-p bắ đầu suy giảm. Quá rình giảm dòng này có hể kéo rấ dài vì các điện ích rong lớp n - bị mấ đi do quá rình ự rung hòa điện ích ại chỗ. Đó là vấn đề đuôi dòng điện đã nói đến ở phần rên. Tổn hao năng lượng rong quá rình khóa có hể ính gần đúng bằng: -U G Ic U CE U dc I U CE.on Tæn hao khi khãa d(off) i 1 i 2 rv fi1 fi2 off (µs) (µs) (µs) (µs) Q off = U.I dc off 2

23 Lớp n - rong cấu rúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn, vì khi đó số lượng các điện ích hiểu số (các lỗ) ích ụ rong lớp này làm giảm điện rở đáng kể. Tuy nhiên các điện ích ích ụ này lại không có cách gì di chuyển ra ngoài mộ cách chủ động được, làm ăng hời gian khóa của phần ử. Ở đây công nghệ chế ạo bắ buộc phải hoả hiệp. So với MOSFET, IGBT có hời gian mở ương đương nhưng hời gian khóa dài hơn, cỡ 1 đến 5 s. Cùc iòu khión SiO2 n + p Cùc gèc + n j 1 j 2 n - j 3 n + p + Vïng h n Vïng Base Líp Öm Líp ph sinh iön Ých Cùc m ng Hình Cấu rúc bán dẫn của mộ IGBT cực nhanh (Punch Through IGBT) Thời gian khóa của IGBT có hế rú ngắn nếu hêm vào mộ lớp đệm n + như rong cấu rúc Punch Through IGBT như minh họa rên hình Cấu rúc này có mộ Thyrisor ký sinh lạo ừ ba iếp giáp bán dẫn p-n, J 1. J 2, J 3. Trong cấu rúc này mậ độ các điện ích dương, các lỗ, suy giảm mạnh heo hướng ừ các lớp p + đến n - đến n +, điều này giúp quá rình ự rung hòa các điện ích dương rong lớp n - xảy ra nhanh hơn. Công nghệ này ạo ra các IGBT cực nhanh với hời gian khóa nhỏ hơn 2 s. I.6.3. Vùng làm việc an oàn, SOA (Safe Operaing Area) Vùng làm việc an oàn của các phần ử bán dẫn công suấ, SOA, được hể hiện dưới dạng đồ hị quan hệ giữa giá rị điện áp và dòng điện lớn nhấ mà phần ử có hể hoại động được rong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa cũng như rong quá rình đóng cắ SOA của IGBT có dạng như được biểu diễn rên hình Hình 1.29 hể hiện SOA của IGBT rong hai rường hợp. Hình 1.29a là SOA khi điện áp đặ lên cực điều khiển và Emier là dương, hình 1.29b là SOA khi điện áp này là âm. SOA khi điện áp điều khiển dương có dạng hình chữ nhậ với hạn chế ở góc phía rên, bên phải, ương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều này nghĩa là khi chu kỳ đóng cắ càng ngắn, ứng với ần số làm việc càng cao, hì khả năng dòng cắ công suấ càng phải được suy giảm. SOA khi đặ điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển và Emier lại bị giới hạn ở vùng công suấ lớn do ốc độ ăng điện áp rên Collecor - Emier khi IGBT khóa lại. Đó là vì khi ốc độ ăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuấ hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, ác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT mở rở lại như ác dụng đối với cấu rúc của Thyrisor. Tuy

24 nhiên khả năng chịu đựng ốc độ ăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần ử bán dẫn công suấ khác. I C I CM Thêi gian ãng c¾ Giíi h¹n do èc é I ng iön p C I CM dv CE d 1 s 1-5 s 1-4 s DC V CE 2 s 3 s V CE Hình Vùng làm việc an oàn của IGBT: a) Khi điện áp điều khiển dương; b) Khi điện áp điều khiển âm Giá rị lớn nhấ của dòng Collecor I CM được chọn sao cho ránh được hiện ượng chế giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở Thyrisor. Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhấ U GE cũng phải được chọn để có hể giới hạn được dòng điện I CE rong giới hạn lớn nhấ cho phép này rong điều kiện sự cố ngắn mạch, bằng cách chuyển bắ buộc ừ chế độ bão hòa sang chế độ uyến ính. Khi đó dòng I CE được giới hạn không đổi, không phụ huộc vào điện áp U CE lúc đó. Tiếp heo IGBT phải được khóa lại rong điều kiện đó, càng nhanh càng ố để ránh phá nhiệ quá mãnh liệ. Tránh được hiện ượng chố giữ dòng bằng cách liên ục heo dõi dòng Collecor là điều cần phải làm khi hiế kế điều khiển IGBT. I.6.4. Yêu cầu đối với ín hiệu điều khiển IGBT IGBT là phần ử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET, nên yêu cầu điện áp điều khiển liên ục rên cực điều khiển và Emier đế xác định chế độ khóa, mở. Mạch điều khiển cho IGBT có yêu cầu ối hiểu như được biểu diễn qua sơ đồ rên hình 1.3. Tín hiệu mở có biên độ U CE, ín hiệu khóa có biên độ -U CE cung cấp cho mạch G-E qua Hình 1.3. Yêu cầu đối với ín hiệu điều khiển điện rở R G. Mạch G-E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng ± 18 V. Do có ụ ký sinh lớn giữa G và E nên kỹ huậ điều khiển như điều khiển MOSFET có hể được áp dụng, uy nhiên điện áp khóa phải lớn hơn. Nói chung ín hiệu điều khiển hường được chọn là +15 và -5V là phù hợp. Mức điện áp âm khi khóa góp phần giảm ổn hấ công suấ rên mạch điều khiển như được minh họa rên hình 1.31a. Điện rở R G cũng ảnh hưởng đến ổn hao công suấ điều khiển như được minh họa rên đồ hị hình 1.31b. Điện rở R G nhỏ, giảm hời gian xác lập ín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng của du CE /d, giảm ốn hấ năng lượng rong quá rình điều khiển, nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký sinh rong mạch điều khiển. U G +U GE Q 1 Q 2 -U GE R G 18V IGBT

25 Dòng điều khiển đầu vào phải cung cấp được dòng điện có biên độ bằng: I G.max = U R G CE Trong đó: U GE = U GE(on) + U GE(off) Tốn hao công suấ rung bình có hể ính bằng biểu hức: P = U GE.Q G.f sw Trong đó: Q G (mili Culông, mc) là điện ích nạp cho ụ đầu vào, giá rị hường được cho rong ài liệu kỹ huậ của nhà sản xuấ; f sw là ần số đóng cắ của IGBT Vấn đề bảo vệ IGBT IGBT hường được sử dụng rong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp mộ chiều, rong đó áp dụng các quy luậ biến điệu khác nhau và hường yêu cầu van đóng cắ với ần số cao, ừ 2 đến hàng chục khz. Ở ần số đóng cắ cao như vậy. Những sự cố xảy ra có hề phá hủy phần ử nhanh chóng. Sự cố hường xảy ra nhấ là quá dòng do ngắn mạch ừ phía ải hoặc ừ các phần ử có lỗi do chế ạo hoặc do lắp ráp. Vì vậy vấn đề bảo vệ cho phần ử là nhiệm vụ cực kỳ quan rọng đặ ra. Đối với IGBT a có hể ngắ dòng điện bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá rị âm. Tuy nhiên quá ải dòng điện có hể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suấ phá nhiệ ăng lên độ ngộ, phá hủy phần ử sau vài chu kỳ đóng cắ. Mặ khác khi khóa IGBT lại rong mộ hời gian rấ ngắn khi dòng điện lớn dẫn đến ốc độ ăng dòng di/d quá lớn gây High side Gae Desa Faul ChuyÓn m¹ch mòm Hình Các chức năng rong mạch ích hợp điều khiển IGBT (IRZI37 của Inernaional Recifier ) U S HOP LOP SSD R

26 quá áp rên Collecor - Emier, lập ức đánh hủng lớp iếp giáp này. Rõ ràng là, rong sự cố quá dòng, không hể iếp ục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn heo quy luậ biến điệu như cũ và cũng không hể chỉ đơn giản là ngắ xung điều khiển để dập ắ dòng diện được. Vấn đề ngắ dòng độ ngộ không chỉ xảy ra rong chế độ sự cố mà còn xảy ra khi ắ nguồn hoặc khi dừng hoạ động, nghĩa là rong chế độ vận hành bình hường. Có hể ngăn chặn hậu quả của việc ắ dòng độ ngộ bằng cách sử dụng các mạch dập RC (snubber circui), mắc song song với phần ử. Tuy nhiên các mạch dập làm ăng kích hước và làm giảm đồ in cậy của hiế bị. Giải pháp ích cực hơn được đưa ra ở đây là làm chậm lại quá rình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (sof urn-off), khi phá hiện có sự cố dòng điện ăng quá mức cho phép. Trong rường hợp này điện áp rên cực điều khiển và Emier được giảm đi ừ ừ về đến điện áp âm khi khóa. IGBT sẽ chuyển về rạng hái khóa qua chế độ uyến ính, do đó dòng diện bị hạn chế và giảm dần về không, ránh được quá áp rên phần ử. Thời gian khóa của IGBT có hể được kéo dài 5 đến 1 lần hời gian khóa hông hường. Có hể phá hiện quá dòng bằng cách dùng các phần ử đo dòng điện uyến ính như xen xơ Hall hoặc các mạch đo dòng điện rên shun dòng. Tuy nhiên đối với IGBT có hể phá hiện quá dòng sử dụng ín hiệu điện áp rên Collecor - Emier. Khi có ín hiệu mở nếu U CE lớn hơn mức bão hòa hông hường U CE.bh < 5V chứng ỏ IGBT ra khỏi chế độ bão hòa do dòng điện quá lớn. Mộ số vi mạch opocoupler được chế ạo sẵn cho mục đích phối hợp giữa ín hiệu điều khiển và phá hiện chưa bão hòa ở IGBT, hơn nữa lại cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Ngày nay chức năng phá xung và bảo vệ IGBT đã được ích hợp rong các IC chuyên dụng, ạo huận lợi lớn cho các nhà hiế kế. Ví dụ về mộ mạch ích hợp như vậy, IRZI37 của Inernaional Recifier được cho rên hình Trên hình 1.32 có hể hấy cực điều khiển của IGBT được cung cấp ba ín hiệu điều khiển qua ba điện rở, ín hiệu mở qua HOP, ín hiệu khóa qua LOP, ín hiệu khóa mềm qua SSD. Hiệu chỉnh các điện rở này có hể hiệu chỉnh được các hời gian điều khiển ương ứng. Tín hiệu DESAT được lấy qua phân áp giữa Collecor.và Emier qua diode nối với Collecor, đưa qua mạch lọc phối hợp với ín hiệu điều khiển khóa, mở, qua mạch NAND đưa ra ín hiệu chưa bão hòa (Desal Faul). Qua mạch xử lý Hình Khoá mềm bằng logic (không hể hiện ở đây ) ín hiệu khóa mềm có hể được đưa đến MOSFETđiều khiển mạch khóa IR2137 mềm (sof shudown) với điện rở đưa đến cực điều khiền cỡ 5, lớn hơn 1 lần so với mạch khóa, mở.